阻抗測(cè)量方法在傳感器技術(shù)中的應(yīng)用
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實(shí)際應(yīng)用中的電路元件要比理想電阻復(fù)雜得多，并且呈現(xiàn)出阻性、容性和感性特性，它們共同決定了阻抗特性。阻抗與電阻的不同主要在于兩個(gè)方面。首先，阻抗是一種交流(AC)特性；其次，通常在某個(gè)特定頻率下定義阻抗。如果在不同的頻率條件下測(cè)量阻抗，會(huì)得到不同的阻抗值。通過(guò)測(cè)量多個(gè)頻率下的阻抗，才能獲取有價(jià)值的元件數(shù)據(jù)。這就是阻抗頻譜法(IS)的基礎(chǔ)，也是為許多工業(yè)、儀器儀表和汽車(chē)傳感器應(yīng)用打下基礎(chǔ)的基本概念。
本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/163669.htm電子元件的阻抗可由電阻、電容或電感組成，更一般的情況是三者的組合?？梢圆捎锰撟杩箒?lái)建立這種模型。電感器具有的阻抗為jωL，電容器具有的阻抗為1/jωC，其中j是虛數(shù)單位，ω是信號(hào)的角頻率。采用復(fù)數(shù)運(yùn)算將這些阻抗分量組合起來(lái)。阻抗的虛數(shù)部分稱為電抗，總表達(dá)式為Z=R+jX，其中X為電抗，Z表示阻抗。當(dāng)信號(hào)的頻率上升時(shí)，容抗Xc降低，而感抗XL升高，從而引起總阻抗的變化，阻抗與頻率呈函數(shù)關(guān)系。純電阻的阻抗不隨頻率變化。。
圖1：電阻器和電容器并聯(lián)時(shí)的奈奎斯曲線。
如何分析阻抗
為了檢測(cè)元件的阻抗，在以不同的頻率對(duì)器件進(jìn)行掃描時(shí)，通常需要測(cè)量時(shí)域或頻域的響應(yīng)信號(hào)。測(cè)量頻域響應(yīng)信號(hào)一般采用模擬信號(hào)分析方法，例如交流耦合電橋，但是采用高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，允許在時(shí)域采集數(shù)據(jù)，然后再轉(zhuǎn)換到頻域。
許多積分變換都可以用于將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到頻域，如傅里葉分析。這種方法就是取出信號(hào)的一系列時(shí)域信號(hào)表示，然后應(yīng)用積分變換將其映射為頻譜。采用這種方法可以給出任意兩種信號(hào)之間關(guān)系的數(shù)學(xué)描述。在阻抗分析中感興趣的是激勵(lì)電流(元件的輸入)和電壓響應(yīng)(元件的輸出)之間的關(guān)系。如果系統(tǒng)是線性的，測(cè)得的時(shí)域電壓和電流的各自傅里葉變換的比值就等于其阻抗，并且它可以表示成一個(gè)復(fù)數(shù)。這個(gè)復(fù)數(shù)的實(shí)數(shù)部分和虛數(shù)部分構(gòu)成隨后數(shù)據(jù)分析的關(guān)鍵部分。
其中，E=系統(tǒng)電壓；I=系統(tǒng)電流；t=時(shí)域參數(shù)
將復(fù)數(shù)形式轉(zhuǎn)換成極坐標(biāo)形式便可以得到在特定頻率下響應(yīng)信號(hào)的幅度和相位與激勵(lì)信號(hào)的關(guān)系。
其中R和X分別表示復(fù)數(shù)的實(shí)部和虛部。上面計(jì)算得到的幅度表示該元件在特定頻率條件下的復(fù)數(shù)阻抗。在掃頻的情況下，可以計(jì)算出每個(gè)頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的復(fù)數(shù)阻抗。
阻抗數(shù)據(jù)分析
常用的方法是將產(chǎn)生的阻抗與頻率的關(guān)系曲線作為數(shù)據(jù)分析的一部分。當(dāng)頻率在給定的范圍內(nèi)掃頻時(shí)，奈奎斯特(Nyquist)圖是在復(fù)數(shù)平面內(nèi)以傳遞函數(shù)的實(shí)部和虛部為參數(shù)的曲線。如果圖中的x軸表示實(shí)部，y軸表示虛部(注意：y軸取負(fù)數(shù))，就可以得到每個(gè)頻率點(diǎn)的阻抗表示。換句話說(shuō)就是，曲線上的每個(gè)點(diǎn)都代表了某個(gè)頻率點(diǎn)的阻抗?？梢詮南蛄块L(zhǎng)度|Z|和該向量與x軸之間的夾角?計(jì)算出阻抗。圖1為電阻器和電容器并聯(lián)時(shí)的典型奈奎斯曲線。
盡管奈奎斯曲線很常用，但是它不能給出頻率信息，所以對(duì)于任何特定阻抗，都不可能知道采用的頻率值是多少。因此，奈奎斯曲線通常要采用其它曲線來(lái)補(bǔ)充。另外一種常用的表示方法就是波特(Bode)圖。在波特圖中，x軸表示頻率的對(duì)數(shù)，阻抗的幅度絕對(duì)值|Z|和相移都用y軸表示。因此波特圖同時(shí)表示了阻抗與頻率和相移與頻率的關(guān)系。通常將奈奎斯曲線和波特圖一起使用來(lái)分析傳感器元件的傳遞函數(shù)。
基于阻抗特性的傳感器
考慮一個(gè)基于阻抗特性的傳感器，在正常條件下其電容、電感和電阻特性的組合會(huì)產(chǎn)生一個(gè)特定的阻抗信號(hào)。如果傳感器周?chē)h(huán)境的變化引起上述特性的任何變化，都會(huì)造成阻抗的改變。通過(guò)測(cè)量這種阻抗傳感器隨頻率變化的特性，將會(huì)得到一系列新的阻抗特性。
一種相當(dāng)簡(jiǎn)單的方法就是將阻抗的測(cè)量值和預(yù)測(cè)值比較以便得出某種結(jié)論。這種工作原理的一個(gè)實(shí)例就是一種采用渦流原理的金屬檢測(cè)傳感器。在位于傳感器外殼的線圈中產(chǎn)生一個(gè)高頻交流信號(hào)。該線圈產(chǎn)生的電磁場(chǎng)在導(dǎo)電靶中感應(yīng)出渦流。反過(guò)來(lái)這個(gè)渦流與該傳感器線圈相互作用，所以改變了其阻抗。
圖2：表示阻抗與頻率和相角與頻率之間關(guān)系的波特圖。
測(cè)量隨頻率變化的線圈阻抗具有許多好處。因?yàn)椴牧系臐B透率會(huì)影響線圈的阻抗，所以利用經(jīng)驗(yàn)阻抗特性可得出一些有關(guān)金屬類型的結(jié)論。采用這種方法還可以允許該阻抗特性傳感器檢測(cè)具有不同滲透率的金屬。滲透率變化還可以用于測(cè)量金屬壓力，因?yàn)閴毫ψ兓瘯?huì)改變滲透率，而滲透率的變化又會(huì)改變阻抗。波特圖和奈奎斯曲線在檢查傳感器的頻率響應(yīng)方面是很有用的。測(cè)量大量頻率點(diǎn)的阻抗比測(cè)量單個(gè)頻率點(diǎn)的阻抗得到的結(jié)果更為精確，因?yàn)檫@有助于去除噪聲。還可以通過(guò)在某些特定條件下測(cè)量電容分量和電感分量的頻率響應(yīng)確定最佳的工作頻率點(diǎn)。
將阻抗的測(cè)量值和其理想值相比較的方法可適用于許多基于阻抗特性能引起電阻、電容或電感變化原理的傳感器技術(shù)。常見(jiàn)的應(yīng)用范圍包括從采用化學(xué)傳感器的氣體檢測(cè)、基于電容特性的濕度傳感器、游戲或食品業(yè)中的金屬硬幣或顆粒特征識(shí)別，到農(nóng)業(yè)中的土壤監(jiān)測(cè)。
評(píng)論